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测试技术基础 机械工程及自动化学院 * 测试技术基础 第四章 测量装置的基本特性 4.1 概述 4.2 静态特性 4.3 动态特性 4.4 典型测试装置的动态特性 4.1 概述 系统是由若干相互作用,相互依赖的事物组合而成的具有特定功能的整体;系统的特性是指系统的输出和输入的关系。 从狭义上讲,系统实际上是能够完成一定功能变换的装置。 测量装置基本特性 测量系统(装置)实际上是一个信息通道。理想的测量系统应该准确地真实地反映和传送所需要的信号而将那些无关的虚假的信号(干扰)抑止掉。 信号与系统有着十分密切的关系,为了真实地传输信号,系统必须具备一些必要的特性,通常用静态特性和动态特性来描述。 4.2 静态特性 1. 静态特性曲线 静态特性反映的是当信号为定值或变化缓慢时,系统的输出与输入的关系,它可以用一个相应的代数方程来描述。 通常,为了简化输出输入关系,总是希望输入输出之间为线性,y=a1x,用一直线趋近特性曲线,这样就希望有一个参数来衡量特性曲线与参考直线的偏离程度,这一参数叫线性度或直线性。 静态特性曲线由厂家给定,在静态校准情况下由实测来确定输出输入关系,称为静态校准到静态校准线。 静态校准条件:指没有加速度,没有冲击,振动,环境温度为20±5℃,相对适度不大于85%,大气压力为0.1±0.08MPa的情况。 测量装置基本特性 2. 线性度 δi:线性度 △max:特性曲线与参考直线的最大偏差 △F.S:满量程输出的平均值 根据参考直线的定义方法,可将线性度分为: 测量装置基本特性 ① 理论线性度:参考直线由0点和满量程输出点确定 ② 独立线性度:参考直线由最小二乘法确定。 有时,系统的输出输入在局部范围内是直线,则取此段做为标称输出范围。 3. 静态灵敏度 用以衡量在静态测量时,输入信号变化引起输出量的改变的 程度。希望为常数。 相对灵敏度 灵敏度越高,系统反映输入微小变化的能力就越强。在电子测量中,灵敏度越高往往容易引入噪声并影响系统的稳定性及测量范围,在同等输出范围的情况下,灵敏度越大测量范围越小,反之则越大。 测量装置基本特性 4. 滞后误差 δn:滞后误差 △hmax:输出在正反行程间的最大 滞后量 △F.S:满量程输出 测量装置的其他静态指标如: 灵敏限,分辨力,精确度,准确度,精密度,漂移等。 测量装置基本特性 当输入信号变化方向不同,对应同一输入值输出的值不同,输出量之间的差值,称之为滞后量。 4.3 动态特性 动态特性指的是当输入信号随时间发生变化时,输出信号输入信号之间的关系,通常用微分方程来描述。为了使问题简化,我们希望测试装置具有线性时不变性。 1. 线性时不变系统的特点 齐次性与叠加性:T[c1x1+c2x2+….]=c1y1+c2y2+…. 微积分特性 测量装置基本特性 时不变性:T[x(t-t0)]=y(t-t0) 频率不变性:在系统的频带内,输入输出频率相同只是幅值和相位可能不同。 系统参数不随时间而变化 对于这类系统,可用常系数微分方程来描述其输出输入关系 为分析方便,可采用拉氏变换的方法,引出传递函数。 测量装置基本特性 an,an-1,……a0,bm,bm-1,b0是系统本身物理参数所决定的常数。nm。 2. 传递函数及脉冲响应函数 将微分方程两端取拉氏变换,得: 系统传递函数: 该系统称为N阶系统。 测量装置基本特性 例:设x(t)=δ(t) , 则X(t)=1 Y(s)=H(s)X(s)=H(s) ∴此时y(t)=L-1[H(s)]=h(t) h(t)为脉冲响应函数 对于任意x(t) 卷积: 测量装置基本特性 物理意义:只要知道某系统对单位脉冲函数δ(t) 输入的响应h(t) (单位脉冲响应函数),那么系统对任意函数x(t) 的响应函数y(t),可以通过x(t) 与单位脉冲响应函数h(t) 的卷积而得出. 3. 频率响应函数 频响函数及其对信号的影响 在传递函数中,令 S=jω,则 其中|H(j ω)|称为幅频特性, φ(ω)称为相频特性,|H(j ω)|影响系统输出的幅值,φ( ω )影响输出的相位,即可能引起延时。由于用付氏变换可将任一信号分解成不同频率的正弦信号之和,所以,频率响应函数反映一个系统对正弦激励的稳态响应。 测量装置基本特性 系统不失真传输条件 则: 由此可见,要使系统输出不失真,必须: 使|H(j ω)|=A为常数,才能对不同频率信号放大同样倍数, |H(j0)|即静态灵敏度S。 使 ,才能使各频率成分延迟时间相同。 测量装置基本特性 4. 动态误差 其中包含瞬态误差和稳态误差。 瞬态误差是
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